声波测井技术在油田生产中的应用

声波测井技术在油田生产中的应用

1声波测井的地质应用声波研究技术始于20世纪50年代初，已经经历了几十年的发展。它是地球物理勘探的重要领域之一。这是现代开采方法之一。声波测井是油气勘探和开发的重要手段,在国外20世纪80年代末到90年代初期,为了满足复杂油气藏勘探和开发的需要,投入大量资金开展偶极和多极声波测井、声波成像测井、声波随钻测井、井间声波测井新方法、仪器及应用方面的研究。声波测井的物理基础是研究与岩石性质密切相关的声振动沿钻井的传播特征,又因声波测井的仪器具有快速,轻便的优点。近十余年来在我国地质工程领域逐渐推广应用,并取得了较好的效果。我国声波测井技术与国外相比,在测井仪器方面具有一定差距,但是在信号处理及测井资料处理方面已形成自己的特色。21.井声波研究方法和技术评价2.1声波测井技术声波测井利用声波在岩石等介质中传播时,幅度的衰减、速度或频率的变化等声学特性来研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题的一种测井方法。目前声波测井常用到的方法包括声速测井、声幅测井、偶极和多极子声波测井、声波全波列测井、声波成像测井、井间声波测井及随钻声波测井等,不同声波测井方法的特点及其优缺点具体参见表1。随着声波测井技术的逐渐成熟,声波测井已在我国油田勘探与开发及地应力计算、岩石物性方面得到了广泛的应用,但是声波测井在技术应用研究上仍面临一些问题,这些问题集中体现在:①声波全波列测井中波形的分离和信息提取。目前主要的方法有神经网络法、最大熵法、小波分析法等。虽然这些方法在对算法的更新上有推进作用,但不能完全解决这方面的问题;②声波层析成像的关键技术(成像算法与分辨率)仍不完备。虽然基于射线理论的声波层析成像技术已经十分成熟,并且是工程物探重要的方法之一,然而由于成像精度受到观测系统和测试精度、成像方法和误差控制等许多因素影响,在具体应用过程中有时成像结果与实际情况相差较大无法获得理想效果。2.2声波测井技术现状我国声波测井技术主要应用在油田、煤田和工程地质三个方面,随着声波测井理论的不断发展和完善,测井仪器的推新,声波测井在这三方面的应用显示出其一定的优势;但是随着其应用的扩展,也表现出一定的缺陷。1)声波测井的特点是记录了地层的纵波、横波及流体波的时差、幅度、频率、相位等信息,而这些信息对于计算孔隙度、判断岩性、定性识别流体性质、评价岩石力学弹性参数等具有重要作用,并且还可以为较深的砂泥岩储层估算岩石破裂压力值,为油藏工程提供参数,因此声波测井是油气勘探和开发的重要手段。在油气藏勘探和开发中主要解决储油层分布、油井固井质量的检测、出砂等问题。目前,声波测井对于薄层、薄互层及低孔隙度的信息分辨率低,这是声波测井在油田应用中的难点,近几年出现的偶极和多极阵列声波测井可对薄层储油作出正确的划分,但是成本较高,现场施工难度大。2)声波测井在煤田勘探中优势是解决煤层的厚度、深度等技术问题。主要采用:声波速度测井、声波全波列测井、井下超声成像测井。声波测井技术的应用,提高了对煤层定性定厚解释的可靠性;但是在利用声波测井时,井径的影响会影响煤层和泥岩的区别,煤中石英会降低煤的孔隙度(利用声波测井得到的数据计算)。3)声波测井在工程勘察、施工和灾害地质中的应用是随着我国大量基础设施的兴建和应对我国近年频繁发生的灾害性地质事件而逐渐开展的,并且收到了较好的效果。目前用到的声波测井方法有:声波速度测井、声波全波列测井、声波层析成像测井、井下超声成像测井。上述方法在实际应用中各有其独特的特点和优势:声波速度测井可以划分地层和换算相应的岩石弹性参数;声波全波列测井在具有声波速度测井的优势外,还可以得到横波的速度,求得更全面的岩石弹性参数;声波层析成像测井可概括的、直观的反映地质体或工程体内部波速场的分布情况,主要用于水泥材质质量的检测;而井下超声成像测井是利用超声波对井壁进行扫描并根据井壁回波幅度和传播时间进行成像测井,可以直观的判断岩性和岩石的物理特性。但是声波测井受到井径的影响,只能探测井壁周围很窄范围内的情况,具有一定的局限性,此外由于成像算法等原因,在声波成像测井中无法获得理想成像效果。3数字地层信息的数据处理随着声波测井技术的发展,对声波测井处理和解释的要求也越来越高。新型声波测井仪可获取极为丰富的地层信息,其数据量也增大了数百倍。科学和有效的数据处理和分析方法,已成为当前声波测井的主要课题之一。但是传统方法的局限性和不适应性暴露得越来越明显并且无法满足实际中的应用。如傅立叶分析是信号处理的重要手段,但是傅立叶分析不能作局部分析,无法由函数的傅氏变换知道函数在任一点处的性态。3.1小波变换、小波多分辨、全波井的成像随着油气勘探开发技术的发展,人们对储层的研究不断深入,对测井处理和解释的要求也越来越高。传统的处理方法已经不能满足现在的需求。小波理论是近年来发展起来的一种新的数学理论,小波的概念首先由地质学家J.Morlet等人提出的,并成功地应用于地震数据处理。小波分析是傅里叶分析发展的新阶段,它被认为是传统的傅立叶方法的突破性进展,其优于傅里叶变换之处主要在于它在时间域和频率域都有良好的局部化性质,同时由于对高频成份采用了逐渐精细的时间或空间或采样步长,因此可以在任何细节上聚焦成像,它的基本方法已在许多领域广泛应用。根据小波分析理论,将小波变换、小波多分辨分析运用于声波全波列测井波形的提取中;西安交通大学的强琳、刘贵忠利用小波变换具有良好的局部化特性,将其用于声波测井数据的压缩;焦翠华等利用小波分析来提高声波测井曲线纵向分辨率。3.2生物仪器和物理仪器近年来兴起的包括一整套数据处理和感知的神经网络技术在地质学上扮演了重要的角色,因为仅靠数据解释建立起的物理模型已很难对复杂的地质和物理现象作出正确的解释。神经网络是人类通过模拟神经系统的记忆存储与再现、联想思维、目的行为以及更为不易捉摸的情感和灵感信息活动,揭示脑物理平面与谁知平面的相互联系的作用机理,通过计算机实现学习、训练、修正、确认和计算机信息处理系统。传统的声波测井解释技术由于建立在岩石颗粒均匀排列、孔隙流体均匀分布假定模型的基础上,将地层岩性、孔隙率、渗透率等参数作线性研究,致使在复杂地区表现为与地层的真实值不一致。神经网络对解决非均质地层的非线性问题有良好的实用效果。根据人工神经网络的基础理论,中国矿业大学的孔炜等进行了对拟声波测井曲线和井点处的地震属性使用线性回归和神经网络等进行统计,并将统计关系应用到非井点处的地震属性上,得到了三维拟声波测井曲线数据体,夏克文等将神经网络方法用于识别水泥胶结测井和确定声波孔隙度等。此外,由于新兴声波测井技术的出现,对大量的测井数据运算在声波测井时要进行数值模拟,提出了应用有限元法对反射声波成像测井进行数值模拟研究,以及利用小波与神经网络模型结合的小波神经网、模糊神经网络等等。3.3石油工业的典型领域现代的数据可视化(DataVisualization)技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。多年前,人们就已经找到了许多大型油气田。目前石油工业面临的一个严峻问题是:如何寻找规模小而埋藏深的油气田。除了寻找新油田之外,新技术的出现还允许我们通过改善分析和回收方法,使现存油田处于最佳状态,并延长很多油田的产油寿命。在利用声波测井进行油气的勘探时数据极其庞大,而且分布不均匀,因而无法根据纸面上的数据作出分析,利用可视化技术可以从大量数据中,构造出有关感兴趣的等值面、等值线,并显示其范围及走向,用不同颜色显示出多种参数及其相互关系,从而能对原始数据做出正确解释与评价,得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。这不仅可以指导打井作业、减少无效井位、节约资金,而且必将大大提高寻找油藏的效率,从而具有重大的经济效益及社会效益。4.井下声波电视测井随着电子、计算机等技术的发展,声波测井仪器正向着提高分辨率、增加信息量、提高抗干扰能力、彩色成像显示、多源距、多频率等方向发展。我国测井技术与国外的先进水平相比,在信息采集的规模、精度和可靠性方面明显落后,其差距在信息采集的硬件设备方面。目前常用到的声波测井仪主要有以下几类:水泥胶结声波测井仪、全波列声波测井仪、声波成像测井仪、偶极子声波测井仪。固井后的水泥胶结评价是声波测井传统的应用领域。从20世纪50年代开始出现单发单收的声幅测井仪,到20世纪80到90年代是水泥胶结声波测井发展的高峰时期,但从总体上讲,水泥胶结测井仪主要有三个发展方向,即①径向方位上识判套管外水泥空间分布;②提高纵向分辨率;③检查第二界面的胶结情况[22,23,24,25,26,27]。目前用到的全波列的测井仪是阵列声波测井仪和数字阵列声波测井仪,早年的长源距声波测井仪因其在井下进行模拟量记录,将退出市场。阵列声波测井仪器的优点是:数字记录、信息采集规模大及精度高。国外在20世纪60年代初期研制成功了井下声波电视;在20世纪70年代后期,由于电视及地面成像设备的技术水平的发展和进步(进入数字采集、传输、记录阶段),井下声波电视测井的应用有了较快的发展;20世纪90年代国外推出了超声测井仪,如哈里伯顿公司的井周声波扫描测井仪及斯仑贝谢公司的超声成像仪。我国在20世纪70年代末成功研制了井下声波电视测井仪器,并始终维持较先进的水平。但是与国外相比,存在一定的缺点:国内没有对井壁以外各声学界面反射波进行记录、处理的设备,因而不能做出井周围的三维成像立体图。偶极子及多极子横波测井与以往在井下获得横波方法不同,其差异在于偶极子及多极子横波测井在井下是用非对称声源在井壁上直接激发以横波速度为界限值的弯曲波或扭转波,克服了传统声波成像测井无法在软地层获得横波信息。其代表测井仪有1995年斯仑贝谢公司推出的偶极子横波成像仪(DSI)和阿特拉斯公司推出的多极子声波测井仪(MAC)。5中国声波研究技术的困难和发展趋势5.1油气勘探的基础由于我国声波测井技术发展较晚,虽经过近几十年的发展,在一些方面取得了一些成绩,但是总体水平与国外声波测井技术仍有很大的差距,并且在发展中也面临了一些困难,在生产和工程中,需要声波测井仪器既要提高横向分辨率又必须提高探测深度。1)我国地质结构的特殊性,给勘探和资料处理带一定的困难。我国石油储量近90%来自陆相沉积为主的砂岩油藏,天然气储量大部分来自非砂岩气藏,地质条件十分复杂。油田总体规模小,储层条件差,类型多,岩性复杂,储层非均质性严重,物性变化大,薄层、薄互层及低孔低渗储层普遍存在,给油气勘探带来了困难;并且我国油气的浅层勘探已进入尾期,新的油气分布多处在深层处。如我国2005年在大庆油田勘探的庆深气田位于深层火山岩中。2)在仪器方面。我国在仪器方面与国外的差距尤为突出,虽然近几年我国在仪器方面增加了投入,并且国内也出现了一些有实力的仪器生产单位,一些仪器在国内也占有分量,但其信息采集的规模、精度和可靠性与国外仪器相比仍存在很大的差距,特别是与斯仑贝谢、哈里伯顿和阿特拉斯三大公司相比(三大公司投入的研究经费为其年收入的的10%,而我国还不到2%),2004年5月,斯伦贝谢公司宣布推出新的随钻声波测井仪器——sonicVISION仪器。3)软件方面。在信息技术高度发展的情况下,声波测井资料的自动处理也在提高,但是这要求一个好的处理软件作为平台。目前,我国软件业整体居于中流水平,对于声波测井软件来讲,也是如此。虽然国内几家公司在此方面做出了较好的发展,但是软件工程化、商业化有待大力改进。4)人才是一个行业和领域最重要的组成部分,没有了人才,一切无从谈起。目前,地质、物探、测井等学科知识的综合应用已经成为一种趋势,而我国测井技术人员知识结构较单一,缺乏应用的复合型人才。5.2声波测井技术的创新由于声波测井理论的成熟,伴随着科技的进步,声波测井技术现在被广泛的应用于水电、铁道、冶金、工业和民用建筑领域,成功地解决了资源和工程勘察中的有关问题。特别是在21世纪,资源已成为制约我国向前快速发展的重要因素,而石油、天然气占居各种资源的首位,声波测井是油气藏勘探、开发的重要手段;并且随着国家一些大型基建项目的开工和国家对于灾害地质的防护的需要,声波测井技术在今后的发展中,将发挥越来越重要的作用。声波测井为了满足这些需要,必将有所创新。1)试验研究。物理学是实验的科学,并且声波测井属于应用领域,任何一点进步都离不开实验。近年,实际生产、工程需要刺激了声波测井的发展,理论研究相当活跃;实验研究必将内容非常丰富。2)软硬件发展势头迅猛,即软件与仪器。硬件在数据